当今,低成本集成光电子器件高速发展,对于未来高速传输、大数据的信息传输需求越来越高。实现芯片间以及片上光互连已成为学术界研究的热点,采用硅基的光电子器件,可以实现光子作用代替电子在电子电路方面的各种功能,同时也面临巨大挑战。完善的微电子加工工艺很大程度上促进了硅光电子学的发展,成就了今天超大规模集成电路的高速发展。硅材料是微电子学领域的主要材料,也是非常适合于片上光互连,同时它用于光互联具备三大优势:光通信波段透明,在光波波长为1523nm时,Si的本征吸收损耗仅为0.004dB/cm,损耗基本可以忽略;SOI等材料具备高折射率差,对光有很好的限制;与传统的CMOS工艺兼容。现今已经研究实现了在SOI上制作出光开关、光学随机存取存储器、光调制器和阵列波导光栅等诸多性能优良的光波导器件。光学非线性是实现光学随机存储(O-RAM)、全光开关和光学二极管等光学信号处理器件的基础,而双稳态器件是利用光学非线性效应实现上述功能的基础。双稳态的研究目前实现了很多功能器件,然而耦合结构的微腔谐振器、及其多双稳态,多稳态等复杂现象研究很少。硅基光子技术与传统的CMOS工艺兼容、与集成电路兼容,是理想的光子集成平台。本论文对硅基微环耦合结构进行了理论设计和实验研究,主要内容包括:对其中关键的非线性效应、双环谐振器实现O-RAM和硅基全光二极管结构进行了理论研究;制造工艺和测试系统研究;硅基全光二极管器件的实验研究。其主要内容和研究成果如下:(1)对硅基微环耦合结构基础理论分析及模型建立。主要包括:单腔和双腔结构的非线性理论研究;构建硅基全光二极管的理论模型,即考虑微环谐振腔的非线性效应建立非对称FP腔-微环耦合结构的传输矩阵模型。为后续对硅基全光二极管的实验特性进行理论分析奠定了基础。(2)双环微腔与波导耦合系统的特性与应用研究。利用建立的非线性传输矩阵算法,研究了双环微腔与波导耦合系统的三稳态特性,讨论了三稳态实现光开关和光存储方面的应用。(3)设计了一种FP腔-微环耦合结构的单峰双向硅基光学二极管。通过硅基非对称FP腔和微环耦合,以及非线性效应,实现了简单、结构紧凑、功率可调的双向硅基光学二极管。器件在2.05dBm的输入功率和-6.95dBm的输入功率下,分别实现了-15.38dB和30.88dB的非互易传输系数(NTR),插入损耗分别为11.66dB和17.14dB。(4)设计了一种FP腔-微环耦合结构的劈裂峰双向硅基光学二极管。基于微环表面粗糙度引起的反射,实现了劈裂峰的光学非互易,光学非互易传输系数为35.75dB,注入功率1.64dB,10dB非互易工作带宽为0.184nm。微环谐振器的新颖的光谱特性适用于芯片级实用全光二极管。